Dichte Wellen

Simmerringe - Die Abdichtung von Wellen ist die Schlüsselstelle in Getrieben, Differenzialen und Motoren. Kompaktere Einheiten, höhere Drehmomente und hohe Wellendrehzahlen erfordern bessere Abdichtungen.

08. Mai 2006

Höhere spezifische Leistungen schaffen in der Antriebstechnik Randbedingungen, denen der Simmerring als das entscheidende Wellendichtelement ›gewachsen‹ sein muss. So führen zum Beispiel höhere Drehzahlen zu höheren Öl- und Dichtspalttemperaturen. Zu berücksichtigen sind aber auch häufige Drehrichtungswechsel, Stopp-und-Go-Betrieb, hohe Beschleunigungen, Schmutzbeaufschlagung, Aggregateinnendrücke, klimatische Anforderungen, Schmierstoffe mit unterschiedlichen Additiven sowie eine Variation der Schmierstoffmenge.

Das tribologische System

All diesen Einflussfaktoren ist der Simmerring ausgesetzt, und deshalb muss der Konstrukteur bei der Auswahl der Wellenabdichtung diese Parameter besonders berücksichtigen.

Ein Simmerring funktioniert, auf einen einfachen Nenner gebracht, wie eine mikroskopisch kleine Pumpe (Bild oben). Diese ›Mikropumpe‹ ist in der Lage, Schmierstoffe oder Gase unter die Dichtkante und wieder zurück in den Ölraum zu transportieren und somit für eine ausreichende Schmierung zwischen Welle und Dichtring zu sorgen. Diese Eigenschaft des Simmerrings ist nicht nur Grundvoraussetzung für die einwandfreie Dichtfunktion, sondern sie kompensiert bis zu einem gewissen Maß Störgrößen unterschiedlichster Art. Der Simmerring ›schluckt‹ beispielsweise Unregelmäßigkeiten in der Wellentopographie, Wellenexzentrizitäten, Planschlag oder auch Schwingungen. Voraussetzung für eine einwandfreie Funktion ist, dass das tribologische System, bestehend aus Welle, Schmiermittel und Dichtung, gut aufeinander abgestimmt ist. Dies ist dann gewährleistet, wenn die Betriebsbedingungen bekannt sind, der abzudichtende Schmierstoff mit dem gewählten Elastomerwerkstoff kompatibel ist, die Wellenoberfläche entsprechend den Vorgaben durch den Konstrukteur bearbeitet und der Simmerring bezüglich seiner Geometrie und des Werkstoffes richtig ausgewählt wurde. Eines der wichtigsten Entwicklungsziele ist es deshalb, Simmerringe so zu modifizieren, dass sie sich gut in das jeweilige tribologische System einpassen.

eibung im Dichtspalt

Ein Standard-Simmerring verfügt über ein Dichtlippenprofil, das bei einer Druckerhöhung um 0,1 bar zu einer um 32 Prozent höheren Anpresskraft führt. Für die gezielte Reibungsreduzierung hat Freudenberg dieses Dichtlippenprofil verbessert und den Profilquerschnitt minimiert, so dass sich die Anpresskraft pro 0,1 bar Druck nur noch um 20 Prozent erhöht. Diese Optimierung reduziert die Anpresskraft nachhaltig und erhöht die Standzeiten, auch unter schwierigen Betriebsbedingungen. Eine der innovativsten Bauformen zur Reibungsminimierung sind Simmerringe ganz ohne Federbelastung für die Dichtlippe. Mit einer Dichtlippe, die aus einem Elastomercompound hergestellt wird, lässt sich die Radialkraft trotz ansteigender Temperatur auf niedrigem Niveau konstant halten. So lässt sich der Reibungsverlust, beispielsweise für eine Welle mit einem Durchmesser von 45 mm bei Drehzahlen von 1.000 bis 6.000 min-1, um bis zu 50 W reduzieren.

Schmutz bleibt sicher außen vor

Eine Gefahr für ein stabiles tribologisches System bildet Schmutz. Dies können sowohl Partikel sein, die von außen wie auch von innen an das Dichtsystem gelangen. Je nach Gefährdungspotenzial müssen unterschiedliche Schutzmaßnahmen bereits bei der Dichtungsauslegung berücksichtigt werden. So können Simmerringe problemlos mit speziellen Schmutzabweisern gegen kontaminiertes Öl ausgerüstet werden. Diese halten Schmutz- und Metallpartikel, die sich im Öl befinden, vom Dichtspalt fern und verhindern so die katalytische Wirkung, die diese Partikel auf die schädliche Ölkohlebildung an der Dichtlippe haben. Speziell für Wellenabdichtungen, die durch hohe Partikelkonzentrationen im Schmierstoff oder Schmutz von außen beansprucht sind, werden modular aufgebaute Simmerring-Konzepte eingesetzt. Mit der Integration von Labyrinth, Gegenlauffläche, optimiertem Dichtlippenprofil, mehreren Schutzlippen, auch mit Fettdepots, in einem einzigen Gehäuse ist es gelungen, ein geeignetes Wellenschutzsystem, beispielsweise für Land- und Baumaschinen, aufzubauen. Kernstück der patentierten Simmerring Cassette Seals ist ein sehr robustes Dichtlippenprofil. Der metallische Gegenlaufring ist hier gleich in die Simmerring Cassette Seal integriert. Durch die drallfreie Bearbeitung bietet die Gegenlauffläche gute Bedingungen für eine reibungsarme Langzeitabdichtung. Der Gegenlaufring verfügt zur Welle hin über eine Elastomerschicht, die sowohl die statische Dichtheit an dieser Stelle gewährleistet wie auch den Haftsitz auf der Welle sicherstellt. Ein spezielles Labyrinth aus Schutzlippen verhindert das Eindringen von Schmutz und Wasser. In den Zwischenräumen zwischen den Schutzlippen befinden sich Fettdepots.

Das Gehäuse der Simmerring Cassette Seals ist teilgummiert, so dass die statische Dichtheit auch zum Gehäuse hin hergestellt wird. Ein in die Cassette Seal integrierter Noppen kompensiert die Montagekräfte und verhindert so Verformungen während der Montage. Im Betrieb übernimmt der reibungsminimierte Noppen die Funktion einer weiteren Schutzlippe. Das modulare Konzept und die Integration aller Bauteile in ein einziges Dichtungsgehäuse eröffnen zahlreiche Applikationsvarianten. So sind beispielsweise verschiedene Elastomervarianten für die Hauptdichtung und die Schutzlippen möglich. Es kann auch eine zweite Dichtlippe durch eine Feder belastet werden. Das Gehäuse kann optional aus Edelstahl gefertigt werden. Mit modernen Entwicklungsmethoden und FEM-Analysen werden die Positionen der Dichtprofile und Schutzlippen optimiert.

In nicht entlüfteten Getrieben kann es zu einem hohen Innendruck kommen. Gleiches gilt naturgemäß für druckbeaufschlagte Gehäuse, beispielsweise von Hydraulikpumpen und Hydraulikmotoren. Für die Abdichtung der Wellendurchführung sind hier ganz spezielle Dichtungslösungen gefordert, denn bereits ein Innendruck von > 0,5 bar kann bei konventionellen Dichtungen zu erheblichem Verschleiß an Dichtung und Welle führen. Nicht so, wenn der Simmerring der Bauform PPS hierfür eingesetzt wird. Dieser Simmerring verfügt über eine speziell für hohe Innendrücke ›invers‹-geformte, patentierte Dichtkantenkontur. Dies verhindert die schädliche Hohlkehlenbildung. Dieser Simmerring hat eine sehr kurze und dennoch flexibel aufgehängte, federbelastete Dichtlippe. Damit wird die Verschleißbreite der Dichtkante auf weniger als 50 Prozent des sonst üblichen Verschleißes reduziert. Selbst bei steigendem Innendruck erhöht sich die Lippenanpresskraft nur geringfügig. Einerseits minimiert die besondere Ausgestaltung der Simmerring-Dichtlippe das Reibmoment, auch unter hohem Betriebsdruck, andererseits werden dadurch die thermische Belastung und der Verschleiß auf ein Minimum gesenkt.

Synthetische Schmierstoffe

Auch Schmierstoffe werden den steigenden Anforderungen angepasst. Dies wiederum hat direkte Rückwirkungen auf die für die Simmerringe eingesetzten Elastomerwerkstoffe. Sie müssen eine erhöhte chemische Beständigkeit gegenüber den neuen Ölgenerationen aufweisen. Gleichzeitig wird der Temperatureinsatzbereich breiter. Er reicht nicht selten schon von -?40 °C bis +?160 °C. Das Simmerring-Programm mit den Werkstoffen 72 NBR 902 und 75 FKM 585 deckt die meisten Anwendungen ab. Anwendungsspezifisch maßgeschneiderte Varianten werden vielfach gemeinsam mit dem Anwender entwickelt.

Qualität der Wellenoberflächen

Für die Dichtfunktion eines Simmerrings ist der dritte Partner im tribologischen System, die Welle, von ebenso entscheidender Bedeutung. Das Schlüsselkriterium ist hierbei die Qualität der Wellenoberfläche. Welche Wertigkeit der Wellenoberfläche zukommt, zeigt der Erfahrungswert, dass ca. 30 Prozent der vorzeitigen Ausfälle von Radialwellendichtringen auf Ungleichmäßigkeit in der Bearbeitung der Wellenoberfläche zurückzuführen sind. Einen besonders ›schädlichen‹ Einfluss haben die bei der Bearbeitung entstehenden Oberflächenstrukturen. Diese Oberflächenstrukturen waren bisher messtechnisch nicht erfassbar, können aber vor allem bei geschliffenen Wellen nachweislich zur Leckage führen. Auch traditionell bewährte Methoden, wie die ›Faden-Methode‹, versagen bei der Feststellung von einem Mikrodrall auf der Wellenoberfläche. Zur Erzielung einer möglichst einwandfreien Wellenoberfläche empfehlen sich die Bearbeitungsverfahren: Einstichschleifen, Drehen, Tangential- und Einstechdrehen sowie das Rollieren. Wenn sämtliche Parameter im komplexen tribologischen System in die Betrachtung mit einbezogen sind, können mit modernen Simmerring-Konzepten völlig unterschiedliche Aggregateanforderungen erfüllt und auch höhere Leistungsdichten in der Antriebstechnik beherrscht werden. Der Konstrukteur hat dabei durch die Gestaltung des Dichtungsumfeldes direkten Einfluss auf die Lebensdauer der Dichtstelle.

Hubertus Prinzler, Leiter Entwicklung

Freudenberg Simrit

Erschienen in Ausgabe: 03/2006